銹蝕作用下鋼筋混凝土裂縫寬度電腐蝕試驗研究

常 偉

（江蘇省中成建設(shè)工程總公司，江蘇 南京 210041)

0 引言

地下建筑結(jié)構(gòu)通常埋置于地下，水氣容易沿著混凝土澆筑過程中收縮引起的裂縫進(jìn)入構(gòu)件內(nèi)部，引起構(gòu)件內(nèi)鋼筋銹蝕，其銹蝕產(chǎn)物體積膨脹，進(jìn)一步引起裂縫的發(fā)展，降低地下建筑結(jié)構(gòu)的耐久性和承載性能。王立成等[1]總結(jié)了裂縫對混凝土水分遷移的影響效果，指出裂縫寬度對結(jié)構(gòu)耐久性的影響。黎鵬平等[2]研究了海水對混凝土橫向裂縫寬度發(fā)展形態(tài)的影響，并指出鋼筋銹蝕率為關(guān)鍵控制因素。王海龍等[3]分析了銹脹裂縫寬度對鋼筋-混凝土黏結(jié)性能的影響。

混凝土裂縫寬度的發(fā)展對地下建筑結(jié)構(gòu)的耐久性有較為顯著的影響，鑒于此，本文采用電腐蝕加速試驗，得到不同鋼筋銹蝕率情況下混凝土裂縫寬度，為地下工程耐久性評估提供參數(shù)依據(jù)。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試件制作

試件尺寸為150mm×150mm×150mm，鋼筋的長度為350mm，鋼筋直徑d 為16mm，鋼筋-混凝土錨固段長度為5d。鋼筋屈服強(qiáng)度為437MPa，彈性模量為2.3×105MPa，伸長率為24.64%。在澆筑砂漿前，先對鋼筋進(jìn)行除銹處理，清除鋼筋表面銹斑。試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 天后取出，在鋼筋伸出較短的一端連接上導(dǎo)線，并進(jìn)行焊接，最后用環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封，準(zhǔn)備進(jìn)行電化學(xué)加速腐蝕試驗。

將已經(jīng)焊接完成的試件放在3.5%NaCl 溶液中浸泡3 天后取出，準(zhǔn)備進(jìn)行通電。試驗電源采用雙路可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，每組4 個試件進(jìn)行并聯(lián)接線，同時將鋼筋與電源正極相連，實驗槽中的銅棒與電源負(fù)極相連進(jìn)行通電。試件通電腐蝕試驗布置如圖1 所示。

圖1 鋼筋混凝土試件電腐蝕加速示意圖

1.2 試件銹蝕

由于在通電腐蝕中無法直接觀察到鋼筋的腐蝕率變化情況，需根據(jù)法拉第定律推導(dǎo)出鋼筋達(dá)到預(yù)定腐蝕率的通電時間。法拉第定律可用式（1）表示：

根據(jù)式（7）并結(jié)合預(yù)設(shè)的鋼筋銹蝕率、鋼筋直徑和電流密度，得到所需鋼筋的通電腐蝕時間。本實驗中的鋼筋直徑為16mm，設(shè)定腐蝕電流密度為2500μA/cm2，則鋼筋目標(biāo)銹蝕率為2%、5%、8%、15%的預(yù)計通電時間分別為24.2h、60.5h、99.1h、188.6h。

鋼筋銹蝕量按照《水運工程混凝土試驗檢測技術(shù)規(guī)程》[4-5]方法進(jìn)行。具體操作如下：采用濃度為5%的稀鹽酸溶液浸泡鋼筋清楚鋼筋表面的銹蝕物，再以氫氧化鈉溶液中和用砂紙打磨，清水清洗，用毛巾擦干，最后采用精度為0.01g 的電子稱取鋼筋的初始質(zhì)量。等待加載試驗完成后，將鋼筋從構(gòu)件中取出，重復(fù)上述步驟稱取鋼筋銹蝕后的質(zhì)量，前后兩次質(zhì)量差既為鋼筋的銹蝕量Δm。鋼筋銹蝕率按下式計算，最終得到如表2 的鋼筋銹蝕率與通電時間關(guān)系。

表1 鋼筋銹蝕率與通電時間關(guān)系

2 試驗結(jié)果

鋼筋試塊表面在鋼筋通電銹蝕初期（銹蝕率在0.5%以下）沒有出現(xiàn)裂縫。隨著通電時間的逐漸加大，鋼筋的銹蝕率也逐漸增加：當(dāng)銹蝕率增加到1%的時候，試塊表面開始出現(xiàn)細(xì)微的裂紋。當(dāng)銹蝕率增加到2%時，裂縫貫通了整個試塊底面，形成沿著鋼筋發(fā)展方向發(fā)展的銹脹裂縫。此時，隨著通電時間的繼續(xù)增加，裂縫寬度繼續(xù)增大并且有大量黑色銹蝕產(chǎn)物從裂縫中滲出試塊表面。銹蝕后試件裂縫發(fā)展情況和內(nèi)部腐蝕情況如圖2 所示。

圖2 鋼筋混凝土試件內(nèi)部腐蝕情況

鋼筋混凝土試塊裂縫寬度隨通電時間變化關(guān)系如圖3 所示。可以看出在通電12h（目標(biāo)銹蝕率1%）后，試件表面即出現(xiàn)貫通試件底部的裂縫，隨后混凝土銹脹裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，當(dāng)通電至99h（目標(biāo)銹蝕率8%）時，試件裂縫已擴(kuò)展至2mm。

圖3 裂縫寬度——通電時間變化關(guān)系

3 結(jié)束語

本文以鋼筋銹蝕率與混凝土裂縫寬度的對應(yīng)關(guān)系為出發(fā)點，開展了電化學(xué)腐蝕加速試驗，結(jié)果表明，混凝土裂縫寬度隨鋼筋銹蝕率增加而增大，主要歸因于電化學(xué)腐蝕引起銹蝕膨脹產(chǎn)物。由此，為后期評估地下工程耐久性時提供參考依據(jù)。